戰(zhàn)廣深 任厚珉 劉貴昌 (大連理工大學(xué)化工學(xué)院)
李勤 封勃 張捍東 (大連市引碧供水南段工程指揮部辦公室)
劉海峰 張學(xué)文 孫顯臣 (中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究院)[SX)]

　　大連市引碧入連三期南段供水工程主干地下輸水管道從洼子店水庫(kù)至開發(fā)區(qū)灣里，全長(zhǎng)43.70km，管道于1996年3月開工，直埋式鋪設(shè)，同年10月竣工，總投資近2億元人民幣。管材為碳鋼，管徑2054mm，壁厚16mm，外壁涂敷環(huán)氧煤瀝青涂層，內(nèi)壁采用水泥砂漿襯里。依據(jù)對(duì)管道途經(jīng)沿線土壤電阻率的測(cè)試結(jié)果，結(jié)合一、二期輸水管道犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)工程實(shí)踐，決定采用犧牲陽(yáng)極分段保護(hù)的方案，即對(duì)土壤電阻率<100Ω·m以及電阻率>100Ω·m但有地下水地段的輸水管道實(shí)施保護(hù)。?

1 沿線土壤腐蝕性簡(jiǎn)析

1.1 土壤電阻率測(cè)定和腐蝕性評(píng)價(jià)
　　土壤電阻率是犧牲陽(yáng)極保護(hù)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)。為獲得設(shè)計(jì)必需的第一手資料，沿管道走向每隔200m左右測(cè)試一組數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，沿線屬較高電阻率土壤環(huán)境，且電阻率變化范圍較大(20～50 Ω·m)，其中電阻率<50Ω·m的地段約占18%，電阻率為50～100 Ω·m的地段約占32%，電阻率>100Ω·m的地段約占50%?！　?BR>　由于土壤電阻率與土壤的多種理化性質(zhì)有關(guān)，所以在一般情況下可以借助土壤電阻率的大小判斷土壤腐蝕性。參照SYJ7—84標(biāo)準(zhǔn)，以土壤電阻率作為單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并考慮到土壤含水量、pH值等因素的影響，評(píng)價(jià)沿線土壤腐蝕性等級(jí)為：強(qiáng)腐蝕約占5%(電阻率<20 Ω·m地段)，中等腐蝕強(qiáng)度占15%，中等偏弱占35%，其余為弱腐蝕強(qiáng)度。?
1.2 碳鋼在土壤中的腐蝕速率
　　選擇砂土、壤質(zhì)砂土和粘土(編號(hào)分別為1^#、2^#和3^#)作為供試土壤，以與管道材質(zhì)相同的碳鋼作為試樣，進(jìn)行線性極化曲線測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)掛片失重試驗(yàn)，將測(cè)得的極化電阻和失重率換算成侵蝕深度，結(jié)果列于表1。由表1可以看出，兩種方法測(cè)定的侵蝕率相近，隨土壤電阻率降低，碳鋼的平均腐蝕速率明顯增大。對(duì)失重試驗(yàn)(240d)的試片表面進(jìn)行形貌觀察，發(fā)現(xiàn)有明顯的局部腐蝕坑，最大坑蝕深度為：2^#試片0.28 mm/a,3^#試片 0.51mm/a。顯然，在同一土壤環(huán)境中，碳鋼的局部腐蝕強(qiáng)度遠(yuǎn)大于全面腐蝕。1^#試片所處土壤環(huán)境電阻率較高，土壤腐蝕性較弱，試片表面無(wú)明顯的局部腐蝕坑。?

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 被保護(hù)管道長(zhǎng)度
　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察、土壤電阻率測(cè)試和腐蝕率測(cè)定結(jié)果，本工程采用犧牲陽(yáng)極分段保護(hù)的方案。對(duì)石硼段和土壤電阻率較高(>100 Ω·m)的干燥地段不實(shí)施保護(hù)。被保護(hù)管道的實(shí)際長(zhǎng)度為24.5km。?
2.2 犧牲陽(yáng)極材料的選擇
　　由于沿線土壤電阻率較高，故采用低鐵(<0.005%)的Mg-Al-Zn-Mn合金犧牲陽(yáng)極。陽(yáng)極單支質(zhì)量8kg，開路電位-1.55～-1.65 V(相對(duì)于銅/飽和硫酸銅參比電極，下同)。?
2.3 主要技術(shù)指標(biāo)
　　實(shí)施犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)后，被保護(hù)管道任意點(diǎn)對(duì)地電位應(yīng)為-0.85～-1.25V；犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)使用壽命為30年。?
2.4 最小保護(hù)電流密度J_p的確定
　　最小保護(hù)電流密度是陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。它的大小與被保護(hù)金屬的表面狀態(tài)、涂層的種類和質(zhì)量以及土壤電阻率大小等因素有關(guān)。如何確定最小保護(hù)電流密度值，是陰極保護(hù)工程的主要技術(shù)難點(diǎn)之一。由于影響因素較多，進(jìn)行理論計(jì)算比較困難，文獻(xiàn)介紹的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍又較大，為了獲得可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)，本工程采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物試驗(yàn)的方法確定最小保護(hù)電流密度。?
2.4.1 試驗(yàn)方法?
　　選擇不同土壤電阻率的三個(gè)地段，采用外加電流方法測(cè)定。以焊接覆土后的管段(管長(zhǎng)>100m)作為被保護(hù)體，廢鋼管作為輔助陽(yáng)極，與可調(diào)式直流電源組成極化回路，回路中串接一零阻電流表。電位測(cè)量回路中參比電極為銅/飽和硫酸銅電極，電位測(cè)量采用高阻抗數(shù)字萬(wàn)用表。?
　　通過(guò)調(diào)整直流控制電源的輸出電壓和電流，測(cè)量被保護(hù)管段距輔助陽(yáng)極和通電點(diǎn)最遠(yuǎn)端電位值，當(dāng)電位測(cè)量值為-0.90V時(shí)記錄系統(tǒng)的電流。此電流值與被保護(hù)管段表面積的比值即為所確定的最小保護(hù)電流密度?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)線路連接見圖1。?

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果和討論
　　表2列出了三種土壤環(huán)境中涂敷環(huán)氧煤瀝青涂層的碳鋼管最小保護(hù)電流密度試驗(yàn)值。由表2可見，土壤電阻率愈小，最小保護(hù)電流密度愈大。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，考慮到土壤電阻率變化、涂層破損等因素的影響，并留有設(shè)計(jì)余量，最小保護(hù)電流密度取值范圍確定為0.1～0.5mA/m²。

2.5 簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)計(jì)算?
2.5.1 陽(yáng)極輸出電流I?
　　單支鎂陽(yáng)極輸出電流經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：
?　I₁=150 000fy/ρ??
　　式中?ρ——————土壤電阻率，Ω·cm?
?　　　　f、y————系數(shù)，與陽(yáng)極重量和管道保護(hù)電位有關(guān)，計(jì)算時(shí)分別取1和0.93?
　　若雙支陽(yáng)極埋設(shè)間距5m，屏蔽系數(shù)取1.946，則雙支陽(yáng)極輸出電流為：?
?　I₂=I₁×1.946?
　　不同土壤電阻率時(shí)陽(yáng)極輸出電流的計(jì)算結(jié)果列于表3。

2.5.2 保護(hù)長(zhǎng)度L
　　保護(hù)長(zhǎng)度計(jì)算公式為：?
?　　L=I/J_pπD??
　　式中?D——管徑，m?
　　當(dāng)土壤電阻率為20、40、60、80、100 Ω·cm時(shí)，J_p依次取0.40、0.35、0.30、0.25、0.20mA/m²，按雙支陽(yáng)極為一組埋設(shè)，輸出電流取表3中不同電阻率對(duì)應(yīng)值，保護(hù)長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果一并列入表3。?
2.5.3 陽(yáng)極使用壽命T
　　計(jì)算公式：
?　　　　T=WAη/8 760I??
　　式中?W——陽(yáng)極質(zhì)量，kg?
?　　　　A——陽(yáng)極理論發(fā)生電量，A·h/kg
　　　　?η——電流效率
?　　　　I——陽(yáng)極輸出電流，A?
　　按雙支陽(yáng)極埋設(shè)計(jì)算時(shí)，W為16 kg，A為2 210A·h/kg，η為50%，I為表3中不同土壤電阻率對(duì)應(yīng)I₂值。?
　　計(jì)算結(jié)果除土壤電阻率為20 Ω·m時(shí)陽(yáng)極使用壽命為15年，其余均大于30年。土壤電阻率較低時(shí)陽(yáng)極輸出電流較大，使用壽命較短，可通過(guò)在保護(hù)長(zhǎng)度范圍內(nèi)增加陽(yáng)極埋設(shè)支數(shù)(即增加陽(yáng)極重量)的方法延長(zhǎng)陽(yáng)極使用壽命，滿足設(shè)計(jì)和技術(shù)指標(biāo)要求。?
2.6 陽(yáng)極布置和埋設(shè)方式
　　綜合考慮保護(hù)長(zhǎng)度和陽(yáng)極使用壽命兩個(gè)因素，低電阻率土壤中兩支陽(yáng)極為一組，每組陽(yáng)極埋設(shè)間距20 m，同組兩支陽(yáng)極管道兩側(cè)埋設(shè)，間距>5 m?；高電阻率土壤中，單支陽(yáng)極管道兩側(cè)交錯(cuò)埋設(shè)，陽(yáng)極間距10 m。陽(yáng)極與管道同溝水平式埋設(shè)，陽(yáng)極距地表面2.5～3m，距管道水平距離0.5～5 m。?
2.7 陽(yáng)極填充?
　　為了降低陽(yáng)極與土壤接觸電阻，活化陽(yáng)極表面，維持陽(yáng)極較高、較穩(wěn)定的電流輸出，采用硫酸鈉、硫酸鈣、膨潤(rùn)土三組分(配比1∶5∶4)填料填充陽(yáng)極。?
　　陽(yáng)極在室內(nèi)預(yù)先填充，裝入布袋備用。陽(yáng)極與填料的質(zhì)量比為1∶6，陽(yáng)極周圍填料的厚度>10 cm。
2.8 測(cè)試樁
　　為了便于檢測(cè)管道是否處于被保護(hù)狀態(tài)，沿線1 km左右設(shè)一個(gè)電位測(cè)試樁。采用涂有環(huán)氧煤瀝青涂層的鋼筋(12mm)作為測(cè)量線，一端焊在管道上，另一端引出地面5cm以上，鑲?cè)腓徲袦喜鄣氖瘶秲?nèi)。全線共安裝測(cè)試樁21個(gè)，沿水流方向依次編號(hào)。

3 陽(yáng)極安裝

　　一般陽(yáng)極安裝與管道鋪設(shè)同時(shí)進(jìn)行。安裝前在室內(nèi)將陽(yáng)極與導(dǎo)線連接處錫焊后用熱塑管密封，導(dǎo)線另一端接頭與加強(qiáng)板銅焊牢固，清除陽(yáng)極表面油污后填充，制成袋裝陽(yáng)極。現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，將預(yù)制陽(yáng)極的加強(qiáng)板焊接在管道外壁上，焊接處涂敷環(huán)氧煤瀝青涂層(四油三布)，固化干燥后用細(xì)土回填。?

4 參數(shù)測(cè)量與保護(hù)效果評(píng)價(jià)

4.1 參數(shù)測(cè)量
　　現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，為了保證管道被保護(hù)距離內(nèi)任意點(diǎn)電位測(cè)量值符合技術(shù)指標(biāo)要求(以便及時(shí)調(diào)整每組<支>陽(yáng)極的埋設(shè)間距)，測(cè)量了每一埋設(shè)點(diǎn)管道和陽(yáng)極開路電位、陽(yáng)極輸出電流、管道極化電位等參數(shù)。圖2顯示了單支陽(yáng)極輸出電流與土壤電阻率的關(guān)系。由圖2可見，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值相近，且隨土壤電阻率增大有大致相同的變化趨勢(shì)，表明設(shè)計(jì)計(jì)算中采用的經(jīng)驗(yàn)公式有一定的可靠性。

4.2 保護(hù)效果的評(píng)價(jià)?
　　全線陽(yáng)極安裝結(jié)束后，對(duì)實(shí)施犧牲陽(yáng)極保護(hù)的管道定期進(jìn)行電位檢測(cè)。每一個(gè)測(cè)試樁作為一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)量樁附近、距樁正反兩個(gè)方向5m和10m共5個(gè)位置的電位值，以測(cè)量值中最準(zhǔn)值作為該點(diǎn)的電位檢測(cè)值。犧牲陽(yáng)極工作1年后各點(diǎn)電位檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。圖中的結(jié)果表明，各點(diǎn)的電位值均低于-0.85V，達(dá)到了設(shè)計(jì)和技術(shù)指標(biāo)的要求，表明管道處于被保護(hù)狀態(tài)。

?

　　圖3中電位值高于-0.90 V的測(cè)試點(diǎn)均屬電阻率接近100 Ω·m或>100 Ω·m但有地下水的地段，表明高電阻率土壤中，由于陽(yáng)極的輸出電流較小，在一定程度上抑制了被保護(hù)管道極化電位朝負(fù)向變化；同時(shí)說(shuō)明，對(duì)較高電阻率土壤環(huán)境中的管道實(shí)施犧牲陽(yáng)極保護(hù)時(shí)，陽(yáng)極采用分散式短間距埋設(shè)是必要的。

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　　(收稿日期 1999-02-08)